KR20120056952A - Method for MICRO-STEPPING VARIABLE STRUCTURE CONROL OF PERMANENT MAGNET STEP MOTOR - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 영구자석 스텝 모터의 마이크로 스테핑 가변구조제어 방법에 관한 것으로, 보다 상게하게는 역기전력 및 위상 지연으로 인한 오차를 보상할 수 있는 영구자석 스텝 모터의 마이크로 스테핑 가변구조제어 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a microstepping variable structure control method for a permanent magnet step motor, and more particularly to a microstepping variable structure control method for a permanent magnet step motor capable of compensating for errors due to back EMF and phase delay.
일반적으로 스텝 모터(또는 스테핑 모터 또는 스테퍼 모터)는 로보틱 포지셔닝 시스템(robotic positioning systems) 등과 같이 정밀한 위치 제어가 필요한 분야에서 널리 이용되고 있다. 스텝 모터는 현재 일반적인 위치 제어에 가장 많이 사용되고 있는 모터로서 위치의 정지 정밀도를 요구하는 곳에 적합한 모터라고 할 수 있다. 스텝 모터의 경우에는 위치 제어구조가 개루프제어(Open Loop Control)구조를 가지고 있으며 스텝 모터의 기계적인 스텝각을 기준으로 회전을 하기 때문에 스텝 모터에 입력되어지는 스텝각을 기준으로 보면 현재의 회전위치를 판별할 수 있도록 되어 제어하기 쉽기 때문에 적용비용이 저렴하고 스텝 모터가 이송되어 정위치에 이르게 되면 더 이상의 위치 이동을 위한 제어가 이루어지지 않기 때문에 정지시 진동이 발생하지 않아 정확한 이송 및 정지를 요구하는 반도체장비 등에서 많이 사용되고 있다.In general, step motors (or stepping motors or stepper motors) are widely used in applications requiring precise position control, such as robotic positioning systems. Step motors are the motors most commonly used for general position control at present, and can be said to be suitable motors where position stop accuracy is required. In case of stepper motor, the position control structure has open loop control and rotates based on the mechanical step angle of the stepper motor, so the current rotation is based on the step angle input to the stepper motor. It is easy to control because the position can be determined, so the application cost is low. When the step motor is transferred to the correct position, no further control for position movement is made. It is widely used in demanding semiconductor equipment.
스텝 모터는 전기적으로 크게 2상 스텝 모터와 5상 스텝 모터로 분류된다. 이것은 스텝 모터에 공급되는 전력의 위상(phase) 수를 말하는데 전기적으로 단상 유도 전동기 혹은 다상(3상) 유도 전동기로 유도 전동기를 분류하는 것과 같다. 따라서, 2상 스텝 모터의 경우 입력 펄스 1펄스에 대하여 1.8도씩 회전하도록 구성되어 1회전당 200스텝의 회전각을 가지고 있으며, 5상 스텝 모터의 경우 0.72도의 스텝각을 가지고 있어 500스텝의 회전각을 가지고 있다.Step motors are electrically classified into two phase step motors and five phase step motors. This refers to the number of phases of the power supplied to the stepper motor, which is equivalent to categorizing the induction motor into an electrically single phase induction motor or a polyphase (three phase) induction motor. Therefore, the two-phase step motor is configured to rotate by 1.8 degrees with respect to one pulse of the input pulse, and has a rotation angle of 200 steps per revolution, and the five-phase step motor has a step angle of 0.72 degrees. Have
적당한 제어기(controller)를 사용하여 대부분의 스텝 모터는 하프-스텝(half-steps)으로 구동될 수 있고, 어떤 제어기들은 더 작은 스텝 또는 마이크로 스텝(micro steps)으로 스텝 모터를 구동시킬 수 있다.Using a suitable controller, most step motors can be driven in half-steps, and some controllers can drive step motors in smaller steps or micro steps.
한편, 스텝 모터는 개루프제어(open loop control) 시스템에 의해 구동될 수 있고, 위치 센서 없이 정수의 스텝 내에서 정밀한 위치 제어를 제공하기 때문에 어떠한 스텝 위치에서도 안정을 유지할 수 있다. 즉, 제어를 위해서 피드백(feedback)이 필요하지 않다.On the other hand, the stepper motor can be driven by an open loop control system and can maintain stability at any step position because it provides precise position control within an integer step without a position sensor. In other words, no feedback is required for control.
그러나, 개루프제어는 과도한 오버슈트(overshoot), 진동 응답(oscillatory response) 및 긴 정착시간(settle time) 때문에 성능이 좋지 않은 문제가 있다. 그리고, 이러한 문제로 인해 스텝 모터는 피드백 센서 없이 사용될 수 없고, 정확한 위치가 요구되는 높은 성능의 폐루프제어(closed loop control)이 사용될 수 없다.However, the open loop control has a problem of poor performance due to excessive overshoot, oscillatory response and long settling time. And, due to this problem, the stepper motor cannot be used without a feedback sensor, and high performance closed loop control that requires accurate positioning cannot be used.
이러한 스텝 모터의 제어를 위해 전류 PI(proportional integral) 제어기를 사용하는데, 전류 PI 제어기만을 사용하는 경우에는 역기전력(back-emf) 또는 위상 지연(phase lag)으로 인한 문제가 발생한다.In order to control the stepper motor, a current PI (proportional integral) controller is used. When only the current PI controller is used, a problem occurs due to back-emf or phase lag.
즉, 역기전력 및 위상 지연으로 인해 상 전류가 감소하는 문제도 있다. 스텝 모터의 속도가 증가함에 따라 스텝 모터의 역기전력(back-EMF) 및 위상 지연(phase lag) 때문에 전류가 감소하게 된다.That is, there is a problem that the phase current decreases due to the back EMF and the phase delay. As the speed of the step motor increases, the current decreases due to the back-EMF and phase lag of the step motor.
본 발명은 역기전력 및 위상 지연에 의해 전류가 감소하는 것을 보상할 수 있는 영구자석 스텝 모터의 마이크로 스테핑 가변구조제어 방법을 제공한다.The present invention provides a microstepping variable structure control method for a permanent magnet stepper motor capable of compensating for a decrease in current due to counter electromotive force and phase delay.
본 발명은 위치 제어 성능이 우수한 영구자석 스텝 모터의 마이크로 스테핑 가변구조제어 방법을 제공한다.The present invention provides a microstepping variable structure control method of a permanent magnet step motor having excellent position control performance.
상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예는, 고정자 및 회전자를 구비한 영구자석 스텝모터의 마이크로 스테핑 가변구조제어 방법에 있어서, 상기 고정자에 대한 상기 회전자의 원하는 위치를 이용하여 상기 스텝모터를 구동하기 위한 원하는 전압 또는 원하는 전류를 얻는 단계; 상기 원하는 전압에 따르는 전류 또는 상기 원하는 전류를 유지하기 위하여 전압 오차 또는 전류 오차를 이용하는 단계; 외란 관측기를 이용하여 스텝모터의 역기전력을 추정하는 단계; 상기 전압 오차와 상기 추정된 역기전력을 이용하여 실제 입력 전압을 얻는 단계; 및 상기 실제 입력 전압을 상기 스텝모터에 인가하는 단계;를 포함하여, 상기 역기전력과 위상지연을 동시에 제거할 수 있다.One embodiment of the present invention for achieving the above object, in the microstepping variable structure control method of a permanent magnet step motor having a stator and a rotor, using the desired position of the rotor with respect to the stator Obtaining a desired voltage or a desired current for driving the step motor; Using a voltage error or a current error to maintain a current according to the desired voltage or the desired current; Estimating counter electromotive force of the step motor using the disturbance observer; Obtaining an actual input voltage using the voltage error and the estimated back electromotive force; And applying the actual input voltage to the step motor. The counter electromotive force and phase delay may be simultaneously removed.
상기 전압 오차 또는 전류 오차를 이용하는 단계는, 상기 원하는 전압과 상기 영구자석 스텝모터의 입력 전류와 상기 고정자에 권선된 코일의 저항의 곱의 차이에서 얻어지거나, 상기 전류 오차는 상기 원하는 전류와 상기 영구자석 스텝모터의 입력 전류의 차이에서 얻어질 수 있다.The step of using the voltage error or current error is obtained from the difference between the product of the desired voltage and the input current of the permanent magnet step motor and the resistance of the coil wound on the stator, or the current error is the desired current and the permanent It can be obtained from the difference of the input current of the magnet step motor.
상기 역기전력을 추정하는 단계에서 상기 외란 관측기는 고대역 필터(High Pass Filter) 형태인 것을 특징으로 한다.In the estimating counter electromotive force, the disturbance observer may be in the form of a high pass filter.
상기 실제 입력 전압을 얻는 단계는, 상기 전압 오차와 상기 추정된 역기전력을 가변구조제어(variable structure control)를 하는 것을 특징으로 한다.The obtaining of the actual input voltage may include variable structure control of the voltage error and the estimated back electromotive force.
상기 원하는 전압 또는 상기 원하는 전류는 최대 전압 또는 최대 전류의 정현파 함수로 표현되는 것을 특징으로 한다.The desired voltage or the desired current is characterized by a sinusoidal function of the maximum voltage or the maximum current.
상기 스텝모터의 권선 저항값은 스텝모터 자료에서 제공되는 값과 같은 값을 사용하거나, 실제 측정 또는 적응 제어(adaptive control)를 통하여 추정하는 것을 특징으로 한다.The winding resistance value of the step motor is characterized by using the same value as the value provided in the step motor data, or by actual measurement or adaptive control (adaptive control).
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 영구자석 스텝 모터의 마이크로 스테핑 가변구조제어 방법은 전류 루프에서 역기전력에 의한 전류 감소와 위상 지연을 보상할 수 있다.As described above, the microstepping variable structure control method of the permanent magnet step motor according to the present invention can compensate for the current decrease and the phase delay caused by the counter electromotive force in the current loop.
본 발명에 따른 영구자석 스텝 모터의 마이크로 스테핑 가변구조제어 방법은 역기전력 및 위상지연에 의한 오차를 보상함으로써 스텝 모터의 위치 추종 성능을 향상시킬 수 있다.The microstepping variable structure control method of the permanent magnet step motor according to the present invention can improve the position tracking performance of the stepper motor by compensating for errors caused by back EMF and phase delay.
본 발명에 따른 영구자석 스텝 모터의 마이크로 스테핑 가변구조제어 방법은 외란 관측기를 사용하여 역기전력을 추정하고 가변구조제어(VSC)를 사용하여 역기전력과 위상지연을 보상함으로써 스텝 모터의 마이크로 스테핑 성능을 개선할 수 있고, 역기전력에 강인한 제어를 구현할 수 있다. The microstepping variable structure control method of a permanent magnet stepper motor according to the present invention improves the microstepping performance of a stepper motor by estimating back EMF using a disturbance observer and compensating back EMF and phase delay using a variable structure control (VSC). It is possible to implement a control robust to back EMF.
또한, 본 발명에 따른 영구자석 스텝 모터의 마이크로 스테핑 가변구조제어 방법은 전류 피드백(currents feedback)만 필요로 하기 때문에 제어 시스템의 구성을 단순화할 수 있으며, 전류 PI 피드백만을 사용하는 마이크로 스테핑 보다 위치 추종 성능을 개선할 수 있다.In addition, since the microstepping variable structure control method of the permanent magnet stepper motor according to the present invention requires only current feedback, the configuration of the control system can be simplified, and the position tracking can be performed rather than the microstepping using only the current PI feedback. It can improve performance.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스텝 모터를 도시한 일부 절개 사시도이다.
도 2는 도 1에 따른 영구자석 스텝 모터를 제어하기 위한 블록 다이어그램을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 스텝 모터를 마이크로 스테핑 가변구조제어하는 방법을 도시한 순서도이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명에 따른 영구자석 스텝 모터의 가변구조제어 방법에 따른 스텝 모터의 성능을 나타내는 실험 데이터 그래프이다.1 is a partially cutaway perspective view showing a step motor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a block diagram for controlling the permanent magnet step motor according to FIG. 1.
3 is a flowchart illustrating a method for controlling a microstepping variable structure of a permanent magnet step motor according to an exemplary embodiment of the present invention.
4 to 6 are experimental data graphs showing the performance of the step motor according to the variable structure control method of the permanent magnet step motor according to the present invention.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited or limited by the embodiments. Like reference numerals in the drawings denote like elements.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스텝 모터를 도시한 일부 절개 사시도, 도 2는 도 1에 따른 영구자석 스텝 모터를 제어하기 위한 블록 다이어그램을 도시한 도면, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 스텝 모터를 마이크로 스테핑 가변구조제어하는 방법을 도시한 순서도, 도 4 내지 도 6은 본 발명에 따른 영구자석 스텝 모터의 가변구조제어 방법에 따른 스텝 모터의 성능을 나타내는 실험 데이터 그래프이다.1 is a partial cutaway perspective view showing a step motor according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a block diagram for controlling a permanent magnet step motor according to Figure 1, Figure 3 is an embodiment of the present invention Flow chart illustrating a method for controlling a microstepping variable structure of a permanent magnet step motor according to an example. FIGS. 4 to 6 are graphs of experimental data showing the performance of a step motor according to the variable structure control method of a permanent magnet step motor according to the present invention. to be.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 스텝 모터(100)는 케이스(110) 내부에 설치된 회전자(140)를 영구 자석(Permanent Magnet)으로 구성하여 고정자(130)의 권선(coil)에서 인가되는 전류에 의하여 발생하는 자속과 반응하도록 구성된다. 고정자(130)는 슬롯 스테이터(slotted stator)이며, 고정자(130)의 권선이 2개 위치하고 있어 2상을 가진다. 영구자석으로 된 회전자(140)는 회전축(120)에 설치되어 회전축(120)과 함께 회전하며, N극 및 S극을 가진다. 이와 같이, 내부의 회전자(140)가 영구 자석으로 구성된 것을 영구자석 스텝 모터(PMSM: Permanent Magnet Stepper Motor)라고 한다.As shown in FIG. 1, the
도 2에는 상기한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 스텝 모터(100)를 마이크로 스테핑 가변구조제어하기 위한 블록 다이어그램이 도시되어 있다.2 is a block diagram for microstepping variable structure control of a permanent
이하에서는 도면을 참조하여 상기한 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 스텝 모터(100)를 마이크로 스테핑하는 경우의 가변구조제어 방법에 대해서 설명한다.Hereinafter, a variable structure control method in the case of micro-stepping the permanent
우선, 고정자(130)에 대한 회전자(140)의 위치(θ)를 회전자(140)의 원하는 위치(θd)로 이동시키기 위해, 원하는 마이크로 스테핑 입력(desired microstepping inputs)은 다음 식(1)과 같이 정의될 수 있다.First, in order to move the position θ of the
상기 식(1)에서 θd 는 고정자(130)에 대한 회전자(140)의 원하는 위치이고, Va d 및 Vb d는 각각 A상 및 B상에서 영구자석 스텝 모터(100)의 원하는 마이크로 스테핑 전압(desired microstepping voltage) 내지 원하는 전압(desired voltage)이고, Ra, Rb는 각각 A상 및 B상에 대한 권선의 저항값이다. 또한, 스텝모터(100)를 전류로 제어하는 경우 원하는 마이크로 스테핑 전압(Va d, Vb d)에 따르는 원하는 전류(ia d, ib d)는 다음 식(2)에서 구할 수 있다.Θ d in Equation (1) is the desired position of the
본 발명에서는 전류가 측정될 때 원하는 전류(desired currents)의 국부 지수 안정성(local exponential stability)을 보장하기 위해 제어기를 설계한다. 이를 위해 스텝 모터(100)의 동특성(dynamics)는 다음 식(3)과 같이 수정될 수 있다.In the present invention, the controller is designed to ensure local exponential stability of the desired currents when the current is measured. To this end, the dynamics of the
상기 식(3)에서 da=[Kmωsin(Nrθ)]/L, db=[Kmωcos(Nrθ)]/L이고 각각 상(phase)에서의 역기전력(back-emf)이다. Km은 모터 토크 상수(motor torque constant)이고 Nr은 회전자(140)의 티스(teeth)의 개수를 나타낸다.In formula (3), d a = [K m ωsin (N r θ)] / L, d b = [K m ω cos (N r θ)] / L, respectively, and back-emf in phase )to be. K m is a motor torque constant and N r represents the number of teeth of the
본 발명에서는 역기전력 및 위상지연에 의한 오차를 보상하기 위해 외란 관측기(disturbance observer, 220)를 사용하고 외란 관측기(220)의 출력을 가변구조제어(VSC: Variable Structure Control)을 위한 가변구조 제어기(210)를 사용한다. 여기서, 외란 관측기(220)는 역기전력을 추정(estimate)하기 위해서 사용되며, 가변구조 제어기(210)는 원하는 전류(desired currents)의 지수 안정성(exponential stability)를 위해서 사용된다.In the present invention, a
외란 관측기(220)를 설계하는 과정에 대해서 설명하면 다음과 같다. 역기전력에 관한 상기 식(3)의 da 및 db를 추정하기 위해 하기 식(4) 및 식(5)가 제안될 수 있다.Referring to the process of designing the
여기서, 역기전력의 관측 오차는로 정의할 수 있다. 상기 식(5)의 양변을 2번씩 미분하면 다음 식(6)이 얻어진다.Here, the observation error of the counter electromotive force is Can be defined as Differentiating both sides of the above formula (5) twice gives the following formula (6).
상기 식(6)에서 와 를 식(3)과 식(4)로 대체하면 다음 식(7)이 얻어진다.In the above formula (6) Wow Is replaced by equations (3) and (4), the following equation (7) is obtained.
상기 식(7)로부터 다음 식(8)과 같이 에러 전달 함수(error transfer functions)을 얻을 수 있다.From Equation (7), error transfer functions can be obtained as shown in Equation (8).
상기 식(8)에서 s는 라플라스 연산자(Laplace operator)이다. 상기 수식들로부터 추정 에러 주파수 응답(estimation error frequency response)은 2차 고대역 필터(2nd order high pass filter)가 됨을 알 수 있다.In Equation (8), s is a Laplace operator. Estimating a frequency response error (estimation error frequency response) from the formula it can be seen that the secondary high-pass filter (2 nd order high pass filter) .
식(8)의 컷오프 주파수(cutoff frequency)는 외란 관측기 파라미터 kp 및 kl에 의해서 결정된다. 역기전력을 정확하게 추정하기 위해서는 고대역 필터의 컷오프 주파수는 역기전력, 즉 di의 주파수인 Nrωmax 보다 위에 있어야 한다. ωmax는 모터의 최대 속도 또는 최대 원하는 속도이다. 본 발명에 따른 제어 시스템(200)의 외란 관측기(220)는 역기전력을 정확하게 추정할 수 있다.The cutoff frequency of equation (8) is determined by the disturbance observer parameters k p and k l . In order to accurately estimate the back EMF, the cutoff frequency of the high band filter must be above the back EMF, that is, the frequency of d i , N r ω max . ω max is the maximum speed or maximum desired speed of the motor. The
도 4는 kp 및 kl가 2×(0.707π×1000) 및 (2π×1000)2 일 때 역기전력과 추정 에러(estimation error) 사이의 전달 함수의 주파수 응답을 보여준다. 또한, 도 5는 사인(sine) 신호를 모터에 인가하였을 경우에 대한 역기전력에 대한 추정 결과(estimation results)를 보여준다.FIG. 4 shows the frequency response of the transfer function between back EMF and estimation error when k p and k l are 2 × (0.707π × 1000) and (2π × 1000) 2 . In addition, FIG. 5 shows estimation results for counter electromotive force when a sine signal is applied to a motor.
상기한 과정을 거쳐 설계된 외란 관측기(220)를 사용하여 영구자석 스텝 모터(100)를 마이크로 스테핑 가변구조제어하는 방법에 대해서 설명한다.The method for controlling the microstepping variable structure of the permanent
회전자(140)의 원하는 위치(θd)를 가지고 원하는 마이크로 스테핑(desired microstepping) 전압(Va d, Vb d)을 발생시킨다. 원하는 마이크로 스테핑 전압(Va d, Vb d)에 따르는 전류를 유지하기 위하여 전압 오차(Va d-Raia, Vb d-Rbib)를 발생시킨다. 전압 오차(Va d-Raia, Vb d-Rbib)는 원하는 마이크로 스테핑 전압(Va d, Vb d)에서 스텝 모터(100)에 인가되는 실제 입력 전류(ia,ib)와 스텝 모터 권선의 저항(R)의 곱의 차이로부터 얻어질 수 있다.With the desired position θ d of the
이와 함께 외란 관측기(220)를 사용하여 추정된 역기전력(back-emf)을 사용하여 전압 오차(Va d-Raia, Vb d-Rbib)와 함께 가변구조 제어기(210)에서 실제 입력 전압(Va,Vb)를 발생시킨다. In the counter-electromotive force voltage error using the (back-emf) estimated by using the disturbance observer (220) with (V a d i a -R a, V b d -R b b i) and a variable structure controller with 210 Generates the actual input voltage (V a , V b ).
가변구조 제어 기법은 다음 식(9)와 같이 정의될 수 있다.The variable structure control technique may be defined as in Equation (9) below.
상기 식(9)에서 이며 ρa와 ρb는 제어 입력 이득이다. 그리고 전압 오차는 ea = Va d-Raia, eb = Vb d-Rbib 이다. 식 (9)와 같이 설계가 되면 전압오차를 0으로 지수적으로 수렴시킬 수 있다. 만일 전류 제어일 경우 ea와 eb는 ia d-ia와 ib d-ib로 사용된다.In the above formula (9) And ρ a and ρ b are the control input gains. And the voltage error is e a = V a d- R a i a , e b = V b d- R b i b . If the design is as shown in Eq. (9), the voltage error can be converged exponentially to zero. For current control, e a and e b are used as i a d -i a and i b d -i b .
상기 식(1), (2), (4), (9)에서 사용되는 스텝모터의 권선 저항값 Ra와 Rb는 모터 자료(즉, 모터 제조사에서 제공하는 모터의 성능 또는 스펙 등에 관한 자료)에서 제공되는 값과 같은 값으로 사용될 수 있으며, 또한 실제 측정 또는 적응 제어(Adaptive control)를 통하여 추정하여 사용할 수 있다.The winding resistance values R a and R b of the step motors used in Equations (1), (2), (4), and (9) above are the motor data (that is, data on the performance or specifications of the motor provided by the motor manufacturer). It can be used as the same value provided in), and can be estimated and used through actual measurement or adaptive control.
실제 입력 전압(Va,Vb)을 영구자석 스텝 모터(100)에 PWM(Pulse Width Modulation) 드라이버 등을 사용하여 입력한다.The actual input voltage (V a , V b ) is input to the permanent
상기에서 설명한 바를 도 3을 참조하여 다시 한 번 설명한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 스텝 모터(100)의 마이크로 스테핑 가변구조제어 방법은, 고정자(130) 및 회전자(140)를 구비한 영구자석 스텝모터(100)의 마이크로 스테핑 가변구조제어 방법에 있어서, 상기 고정자(130)에 대한 상기 회전자(140)의 원하는 위치(θd)를 이용하여 상기 스텝모터(100)를 구동하기 위한 원하는 전압(Va d, Vb d) 또는 원하는 전류(ia d, ib d)를 얻는 단계(1100), 상기 원하는 전압(Va d, Vb d)에 따르는 전류 또는 상기 원하는 전류(ia d, ib d)를 유지하기 위하여 전압 오차(Va d-Raia, Vb d-Rbib) 또는 전류 오차(ia d-ia, ib d-ib)를 이용하는 단계(1200), 외란 관측기(220)를 이용하여 스텝모터의 역기전력(back-emf)을 추정하는 단계(1300), 상기 전압 오차(Va d-Raia, Vb d-Rbib)와 상기 외란 관측기(220)에 의하여 추정된 역기전력을 이용하여 기변구조제어기(210)에서 실제 입력 전압(Va,Vb)을 얻는 단계(1400) 및 상기 실제 입력 전압(Va,Vb)을 상기 스텝모터(100)에 인가하는 단계(1500)를 포함할 수 있다. The above description will be described once again with reference to FIG. 3. As shown in FIG. 3, the microstepping variable structure control method of the permanent
이와 같이, 역기전력을 발생시키거나 추정하는 외란 관측기(220) 및 가변구조제어기(210)를 사용함으로써, 상기 역기전력과 위상지연을 동시에 제거하는 영구자석 스텝모터의 마이크로 스테핑 가변구조제어 방법을 제공할 수 있다.As such, by using the
상기 전압 오차(Va d-Raia, Vb d-Rbib)를 이용하는 단계(1200)는 상기 원하는 전압(Va d,Vb d)과 상기 영구자석 스텝모터(100)의 입력 전류(ia, ib)와 상기 고정자(130)에 권선된 코일의 저항(R)의 곱의 차이에서 얻어질 수 있다.The
상기 역기전력을 발생시키는 단계(1300)에서 상기 외란 관측기(220)는 고대역 필터(High Pass Filter) 형태인 것을 특징으로 한다. 상기한 식(8)을 참조하면, 외란 관측기(220)는 2차 고대역 필터와 유사한 기능을 한다고 볼 수 있다. 본 발명에 따른 외란 관측기(220)는 고대역 필터의 컷오프 주파수가 역기전력의 최대주파수 즉, Nrωmax 보다 위에 있다면 역기전력을 정확히 추정할 수 있다.In the
상기 실제 입력 전압을 얻는 단계(1400)는 상기 전압 오차(Va d-Raia, Vb d-Rbib)와 상기 역기전력을 상기 식(9)에 의해 가변구조제어(variable structure control)를 하는 것을 특징으로 한다. 이를 위해서 가변구조제어기(210)를 사용하며, 가변구조제어(VSC)를 위해서 원하는 상전류 오차(desired phase current errors)를 슬라이딩 표면(sliding surfaces)으로 정의할 수 있다. 본 발명에 따른 가변구조제어기(210)는 위치 정보 없이 역기전력과 전류의 위상 지연을 보상하여 마이크로 스테핑의 성능을 향상시킬 수 있다.Obtaining the actual input voltage (1400) is a variable structure control of the voltage error (V a d -R a i a , V b d -R b i b ) and the back EMF by Equation (9) control). The
상기 원하는 전압(Va d, Vb d) 또는 상기 원하는 전류(ia d, ib d)는 최대 전압(Vmax) 또는 최대 전류(Imax)의 정현파 함수(sinusoidal functions)로 표현될 수 있다.The desired voltage (V a d, V b d ) or the desired current (i a d, i b d ) can be represented by the maximum voltage (V max) or the sine wave function of the maximum current (I max) (sinusoidal functions) have.
도 6에는 종래 기술과 본 발명에 따른 위치 추종 에러(position tracking errors)에 관한 실험 그래프가 도시되어 있다. 도 6을 참조하면, 일정 속도 구간(constant velocity period)에서 본 발명의 경우가 추종 에러(tracking error)의 평균을 종래 기술의 60%까지 줄인 것을 알 수 있는데, 이는 본 발명의 가변구조제어 방법의 경우 마이크로 스테핑을 위해 요구되는 원하는 전류(desired currents)의 국부 지수 안정성(local exponential stability)을 보장하기 때문이다. 즉, 도 6에서 속도가 일정한 구간인 0.5초 내지 1.5초 구간에서 위치 추종 에러를 비교하면, 종래 기술의 경우에는 위치 추종 에러의 오실레이션(oscillation) 진폭이 큰 반면에 본 발명의 경우는 위치 추종 에러의 오실레이션 진폭이 작음을 알 수 있다. 6 shows an experimental graph of position tracking errors according to the prior art and the present invention. Referring to FIG. 6, it can be seen that in the case of the present invention in a constant velocity period, the average of the tracking error is reduced to 60% of the prior art, which is an example of the variable structure control method of the present invention. This is because it ensures local exponential stability of the desired currents required for microstepping. That is, in FIG. 6, when the position tracking error is compared in a section of 0.5 seconds to 1.5 seconds, in which the speed is constant, the oscillation amplitude of the position tracking error is large in the case of the prior art, whereas in the case of the present invention, the position tracking error is large. It can be seen that the oscillation amplitude of the error is small.
한편, 가속 및 감속 구간(acceleration and deceleration period)에서는 가변구조제어(VSC)로 인해 채터링(chattering)이 나타나지만 일정 속도 구간에서는 추종 에러 리플(tracking error ripples)이 감소하고 일정함을 알 수 있다. On the other hand, in the acceleration and deceleration period, chattering appears due to VSC, but tracking error ripples are reduced and constant in a constant speed section.
이와 같이, 본 발명에 따른 영구자석 스텝 모터의 마이크로 스테핑 가변구조제어 방법은 가변구조제어(VSC)를 기본으로 하여 역기전력을 추정하기 위한 외란 관측기를 이용함으로써 스텝 모터의 마이크로 스테핑 성능 또는 위치 추종 성능을 향상시킬 수 있다.As described above, the microstepping variable structure control method of the permanent magnet stepper motor according to the present invention uses a disturbance observer for estimating back EMF based on the variable structure control (VSC). Can be improved.
이상과 같이 본 발명의 일 실시예에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다. As described above, in one embodiment of the present invention has been described by the specific embodiments, such as specific components and limited embodiments and drawings, but this is provided to help a more general understanding of the present invention, the present invention in the above embodiment The present invention is not limited thereto, and various modifications and variations can be made by those skilled in the art to which the present invention pertains. Accordingly, the spirit of the present invention should not be construed as being limited to the embodiments described, and all of the equivalents or equivalents of the claims, as well as the following claims, belong to the scope of the present invention .
100: 영구자석 스텝모터 110: 케이스
120: 회전축 130: 고정자
140: 회전자 200: 가변구조제어 시스템
210: 가변구조 제어기 220: 외란 관측기
230: 전류 PI 제어기100: permanent magnet step motor 110: case
120: axis of rotation 130: stator
140: rotor 200: variable structure control system
210: variable structure controller 220: disturbance observer
230: current PI controller
Claims (6)
상기 고정자에 대한 상기 회전자의 원하는 위치를 이용하여 상기 스텝모터를 구동하기 위한 원하는 전압 또는 원하는 전류를 얻는 단계;
상기 원하는 전압에 따르는 전류 또는 상기 원하는 전류를 유지하기 위하여 전압 오차 또는 전류 오차를 이용하는 단계;
외란 관측기를 이용하여 스텝모터의 역기전력을 추정하는 단계;
상기 전압 오차와 상기 추정된 역기전력을 이용하여 실제 입력 전압을 얻는 단계; 및
상기 실제 입력 전압을 상기 스텝모터에 인가하는 단계;를 포함하여, 상기 역기전력과 위상지연을 동시에 제거하는, 영구자석 스텝모터의 마이크로 스테핑 가변구조제어 방법.
In the microstepping variable structure control method of a permanent magnet step motor having a stator and a rotor,
Obtaining a desired voltage or a desired current for driving the stepper motor using a desired position of the rotor relative to the stator;
Using a voltage error or a current error to maintain a current according to the desired voltage or the desired current;
Estimating counter electromotive force of the step motor using the disturbance observer;
Obtaining an actual input voltage using the voltage error and the estimated back electromotive force; And
And applying the actual input voltage to the step motor; removing the back electromotive force and phase delay at the same time.
상기 전압 오차 또는 전류 오차를 이용하는 단계는,
상기 원하는 전압과 상기 영구자석 스텝모터의 입력 전류와 상기 고정자에 권선된 코일의 저항의 곱의 차이에서 얻어지거나,
상기 전류 오차는 상기 원하는 전류와 상기 영구자석 스텝모터의 입력 전류의 차이에서 얻어지는,
영구자석 스텝모터의 마이크로 스테핑 가변구조제어 방법.
The method of claim 1,
Using the voltage error or current error,
Is obtained from the difference between the product of the desired voltage and the input current of the permanent magnet step motor and the resistance of the coil wound on the stator, or
The current error is obtained from the difference between the desired current and the input current of the permanent magnet step motor,
Microstepping Variable Structure Control Method of Permanent Magnet Step Motor.
상기 역기전력을 추정하는 단계에서 상기 외란 관측기는 고대역 필터 형태인 것을 특징으로 하는 영구자석 스텝모터의 마이크로 스테핑 가변구조제어 방법.
The method of claim 2,
The disturbance observer in the step of estimating the back EMF microstepping variable structure control method of a permanent magnet step motor, characterized in that the filter.
상기 실제 입력 전압을 얻는 단계는,
상기 전압 오차와 상기 추정된 역기전력을 가변구조제어를 하는 것을 특징으로 하는 영구자석 스텝모터의 마이크로 스테핑 가변구조제어 방법.
The method of claim 3,
Obtaining the actual input voltage,
And a variable structure control of the voltage error and the estimated back electromotive force.
상기 원하는 전압 또는 상기 원하는 전류는 최대 전압 또는 최대 전류의 정현파 함수로 표현되는 것을 특징으로 하는 영구자석 스텝모터의 마이크로 스테핑 가변구조제어 방법.
5. The method according to any one of claims 1 to 4,
The desired voltage or the desired current is a microstepping variable structure control method of a permanent magnet step motor, characterized in that expressed as a sine wave function of the maximum voltage or maximum current.
상기 스텝모터의 권선 저항값은 스텝모터 자료에서 제공되는 값과 같은 값을 사용하거나, 실제 측정 또는 적응 제어를 통하여 추정하는 것을 특징으로 하는 영구자석 스텝모터의 마이크로 스테핑 가변구조제어 방법.The method of claim 5,
The winding resistance value of the step motor is a microstepping variable structure control method for a permanent magnet step motor, characterized in that using the same value provided in the step motor data, or estimated through the actual measurement or adaptive control.
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KR102543234B1 (en) * | 2023-05-08 | 2023-06-13 | 전홍섭 | BEMF phase angle measuring device |
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